DE3528985A1 - Kontinuierliches verfahren zur herstellung von dimethyldiallylammoniumchlorid - Google Patents
Kontinuierliches verfahren zur herstellung von dimethyldiallylammoniumchloridInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren
zur Herstellung von Dimethyldiallylammoniumchlorid durch
Umsetzung von Dimethylamin, Allylchlorid und in Wasser
gelöstem Alkalimetallhydroxid unter Rühren.
Dimethyldiallylammoniumchlorid oder Diallyldimethylammoniumchlorid
(im folgenden auch DADMAC genannt) ist
eine wertvolle Verbindung, insbesondere im Hinblick auf
die Herstellung von wasserlöslichen und leitfähigen
Polyammoniumverbindungen. So stellen Homo- und Copolymerisate
von DADMAC vorteilhafte Antistatika, Demulsifier,
Flockungsmittel, Papierhilfsmittel und dergleichen
dar. Die Homo- und Copolymerisate weisen
aber nur dann die gewünschten Eigenschaften auf, wenn
ein sehr reines DADMAC zur Polymerisation eingesetzt
worden ist.
Es sind bereits eine Reihe von Verfahren zur Herstellung
von Dimethyldiallylammoniumchlorid beschrieben worden.
Bei den bekannten diskontinuierlichen Verfahren werden
die Ausgangsverbindungen, das sind Dimethylamin, Allylchlorid
und Alkali, im wesentlichen nacheinander und
mehr oder weniger langsam zusammengebracht, wobei die
drei Ausgangsverbindungen in einer bestimmten Reihenfolge
eingesetzt, bestimmte Reaktionstemperaturen und
bestimmte pH-Werte eingehalten und eine oder mehrere
der Ausgangsverbindungen nicht in stöchiometrischer Menge
sondern in einem Überschuß eingesetzt werden, vgl. US-
Patentschriften 29 23 701, 34 61 163 und 41 51 202.
Diese komplizierte Reaktionsführung wird deshalb für
notwendig gehalten, weil andernfalls unerwünschte Nebenprodukte,
wie insbesondere Allylalkohol (durch Verseifung
oder Hydrolyse von Allylchlorid) gebildet werden.
Es wird befürchtet, daß sich Allylalkohol vor allem
dann bildet, wenn zu irgendeinem Zeitpunkt der Reaktion,
insbesondere zu Beginn oder in der ersten Phase, eine
vergleichsweise große Menge an Alkali zugegen ist.
Auch bei den bekannten kontinuierlichen Verfahren zur
Herstellung von Diallyldimethylammoniumchlorid werden
die Ausgangsverbindungen im wesentlichen nacheinander
zusammengebracht, weil man auch hier beim gleichzeitigen
Zusammenbringen von Alkali und Allylchlorid die genannte
Verseifungsreaktion befürchtet. So werden bei
dem aus der DD-Patentschrift 1 36 497 (Derwent-Publikation
Nr. 70042B/39) bekannten kontinuierlichen Herstellungsverfahren
von Diallyldimethylammoniumchlorid mit
Hilfe eines Strömungsreaktors (Strömungsrohres) das
Dimethylamin und die Alkalilauge nicht an der gleichen
Stelle des Reaktors, in dem sich das Allylchlorid befindet,
kontinuierlich zudosiert, sondern an zwei
räumlich voneinander getrennten Stellen. Im Strömungsrohr
wird eine Temperatur von 10 bis 30°C und eine
Verweilzeit von 5 bis 30 Minuten eingehalten.
Wenn auch dieses Verfahren schon aufgrund seines kontinuierlichen
Charakters gegenüber einem diskontinuierlichen
gewisse Vorteile aufweist, haften ihm dennoch
eine Reihe von Nachteilen an. Die Umsetzung im Strömungsreaktor
läuft nicht bis zur vollständigen Quaternisierung
ab, weshalb die gewünschte hohe Ausbeute nicht
erreicht wird. Da bei der Umsetzung eine große Menge
an Kochsalz entsteht, das in fester Form anfällt und
zusammen mit dem gewünschten Endprodukt in Suspension
vorliegt, ist es ein erhebliches Problem, bei dem beschriebenen
Rohrreaktor Salzablagerungen zu vermeiden.
Wegen der hohen Reaktionswärme, die aus der Umsetzung
resultiert, ist die Wärmeabführung in der einzuhaltenden
relativ kurzen Verweilzeit schwierig. Der für die
Umsetzung benötigte Strömungsreaktor ist technisch
kompliziert, weil er mit speziellen Prallkörpern, ansteigenden
Strömungsrohren, die über Winkelstücke
miteinander verbunden sind, und mit im Reaktor eingebauten
Düsen ausgerüstet sein muß. Dieser spezielle
Aufbau des Reaktors ist nicht zuletzt deswegen erforderlich,
weil das Amin und die Alkalilauge an verschiedenen
Stellen des Reaktors zudosiert werden sollen.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein
kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Diallyldimethylammoniumchlorid
zur Verfügung zu stellen, das
bei Einsatz der Ausgangsverbindungen in einer jeweils
stöchiometrischen Menge sehr reines DADMAC (ohne daß
dazu spezielle Reinigungsoperationen notwendig wären)
in einer hohen Ausbeute liefert. Das Verfahren soll
darüber hinaus in einer technisch einfachen Apparatur
und unter Einsatz des Dimethylamins auch in Form von
Flüssiggas durchgeführt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Dimethyldiallylammoniumchlorid
durch Umsetzung von Dimethylamin,
Allylchlorid und in Wasser gelöstem Alkalimetallhydroxid
unter Rühren ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Umsetzung in mindestens zwei kaskadenförmig angeordneten
Rührkesseln durchgeführt und dabei so vorgegangen
wird, daß
a) Dimethylamin und Allylchlorid in jeweils stöchiometrischer
Menge und nur 60 bis 95 Mol-% von der
stöchiometrisch erforderlichen Menge an Alkalimetallhydroxid
gleichzeitig und kontinuierlich dem ersten
Rührkessel zugeführt werden und in diesem Kessel bei
einer Temperatur von 20 bis 70°C und dem sich ergebenden
Druck eine solche Verweilzeit eingestellt
wird, daß das den Kessel verlassende Produkt noch
höchstens 10 Mol-% an freiem Amin, bezogen auf die
eingesetzte Molmenge an Dimethylamin, enthält,
b) die beim ersten Rührkessel im Vergleich zur stöchiometrischen
Menge verbleibende Restmenge an Alkalimetallhydroxid
kontinuierlich den auf den ersten
Kessel nachfolgenden Rührkesseln zugeführt wird und
in jedem dieser Kessel bei einer im Bereich von 20
bis 70°C liegenden und um bis zu 30°C höheren Temperatur
als im jeweils vorangehenden Kessel und dem
sich ergebenden Druck eine solche Verweilzeit eingestellt
wird, daß das den Kessel verlassende Produkt
noch jeweils höchstens 2 Mol-% an freiem Amin
bezogen auf die eingesetzte Molmenge an Dimethylamin,
enthält, wobei diese Menge an freiem Amin im
Falle von mehreren nachfolgenden Rührkesseln von
Kessel zu Kessel gleich oder kleiner gehalten wird, und
c) aus dem die Rührkesselkaskade verlassenden Produkt
das angestrebte Dimethyldiallylammoniumchlorid gewonnen wird.
Nachdem im gesamten vorliegenden Stand der Technik zur
Herstellung von reinem DADMAC abgeraten wird, die drei
Ausgangsverbindungen gleichzeitig zusammenzubringen,
war es überraschend, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
bei dem doch von dem stöchiometrisch erforderlichen
Alkalimetallhydroxid nahezu die Gesamtmenge und
vom Dimethylamin und Allylchlorid die ganze stöchiometrische
Menge gleichzeitig zusammengebracht werden,
ein sehr reines DADMAC erhalten wird. Es hat sich herausgestellt,
daß die vom Stand der Technik befürchtete Verseifungsreaktion
zwischen Allylchlorid und dem Alkali in
der ersten Phase der Umsetzung der drei Ausgangsverbindungen
nicht in nennenswertem Ausmaß eintritt; dies ist
angesichts des bisher Offenbarten über die Umsetzung von
Dimethylamin, Allylchlorid und Alkalilauge in der Tat
ein unerwartetes Ergebnis. Im gesamten Stand der Technik
zur Herstellung von DADMAC wird offensichtlich angenommen,
daß im Reaktionsmechanismus, dem die Bildung von
DADMAC zugrundeliegt, bestimmte unerwünschte Reaktionen
bevorzugt und besonders schnell ablaufen. Dies ist, wie
festgestellt worden ist, gerade in der ersten Phase der
in Rede stehenden Umsetzung nicht der Fall. Es ist offensichtlich
vielmehr so, daß bis zu einem relativ hohen
Umsatz die Zwischenstufe Allyldimethylamin rasch übersprungen
wird, das heißt, daß auf die erste Alkylierungsreaktion
rasch die Quaternisierung (die zweite Alkylierung)
folgt, und es deswegen nicht notwendig ist, die
Umsetzung der drei Ausgangsverbindungen auf die genannte
Zwischenstufe hinzusteuern durch Einhalten bestimmter
pH-Werte, bestimmter Temperaturen und/oder durch
gezieltes Zusammenbringen der Ausgangsverbindungen.
Die in Rede stehende Umsetzung kann durch die folgenden
Reaktionsgleichungen charakterisiert werden (als Alkalimetallhydroxid)
wird NaOH eingesetzt):
Wird die Umsetzung von Dimethylamin, Allylchlorid und
Alkali (z. B. NaOH) als Summengleichung geschrieben,
so lautet diese wie folgt:
Aus den obigen Reaktionsgleichungen ist ersichtlich,
daß das im Reaktionsgemisch vorhandene freie Amin die
Summe aus Dimethylamin und Dimethylallylamin ist. Aus
der Summengleichung ist ersichtlich, daß die stöchiometrischen
Mengen für die in Rede stehende Umsetzung
1 mol Dimethylamin, 2 mol Allylchlorid und 1 mol Alkalimetallhydroxid
sind.
Dem ersten Rührkessel werden vorzugsweise nur 70 bis
90% von der stöchiometrisch erforderlichen Molmenge
an Alkylimetallhydroxid zugeführt.
Bezüglich der Reaktionstemperatur wird in den (auf den
ersten Kessel) nachfolgenden Rührkesseln vorzugsweise
die gleiche Temperatur wie im ersten Rührkessel oder
eine um bis zu 30°C höhere Temperatur als im ersten
Rührkessel eingehalten; in diesem Falle ist bei mehreren
nachfolgenden Kesseln die Temperatur von Kessel zu
Kessel gleich oder in im wesentlichen gleichen Beträgen
ansteigend.
Es ist besonders bevorzugt, daß im ersten
Rührkessel eine Temperatur von 30 bis 50°C und in dem
oder den nachfolgenden Rührkesseln eine Temperatur von
50 bis 60°C eingehalten wird; bei mehreren nachfolgenden
Rührkesseln ist die Temperatur von
Kessel zu Kessel gleich oder in im wesentlichen gleichen
Beträgen steigend.
Die beim ersten Rührkessel im Vergleich zur stöchiometrischen
Menge verbleibende Restmenge an Alkalimetallhydroxid
wird im Falle von nur einem nachfolgenden Rührkessel
klarerweise diesem zugeführt. Im Falle von mehreren
(auf den ersten Rührkessel) nachfolgenden Rührkesseln
wird diese Restmenge vorzugsweise in von Kessel zu
Kessel abnehmenden Portionen zugeführt. Dabei wird vorzugsweise
so vorgegangen, daß den zwischen dem ersten
und dem letzten Kessel stehenden Rührkesseln jeweils 50
bis 98 Mol-%, vorzugsweise jeweils 70 bis 95 Mol-%, von der
aus dem vorangehenden Rührkessel verbleibenden Restmenge
an Alkalimetallhydroxid zugeführt werden und dem
letzten Rührkessel die ganze vom vorangehenden Kessel
verbleibende Restmenge zugeführt wird.
Das den ersten Rührkessel verlassende Produkt enthält
vorzugsweise noch 0,05 bis 10 Mol-%, insbesondere 0,1
bis 5 Mol-%, an freiem Amin, Molprozente bezogen auf die
eingesetzte Molmenge an Dimethylamin. Das Produkt, das
den oder die Rührkessel verläßt, die nach dem ersten Rührkessel
angeordnet sind, enthält vorzugsweise noch 0,05
bis 2 Mol-%, insbesondere 0,1 bis 1 Mol-%, an freiem Amin,
Molprozente bezogen auf die eingesetzte Molmenge an Dimethylamin.
Im Falle von mehreren nachfolgenden Rührkesseln
wird die Menge an freiem Amin jeweils gleich
oder von Kessel zu Kessel kleiner gehalten; in diesem
Falle nimmt die Menge an freiem Amin von Kessel zu Kessel
vorzugsweise etwa gleichmäßig ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in
zwei oder drei kaskadenförmig angeordneten Rührkesseln
durchgeführt.
Aus den oben angegebenen Maßnahmen geht hervor, daß
bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens die in Rede stehende Umsetzung in
zwei oder drei kaskadenförmig angeordneten Rührkesseln
durchgeführt und dabei so vorgegangen wird, daß
a) Dimethylamin und Allylchlorid in jeweils stöchiometrischer
Menge und nur 70 bis 90 Mol-% von der
stöchiometrisch erforderlichen Menge an Alkalimetallhydroxid
gleichzeitig und kontinuierlich dem ersten
Rührkessel zugeführt werden und in diesem Kessel bei
einer Temperatur von 30 bis 50°C und dem sich ergebenden
Druck eine solche Verweilzeit eingestellt
wird, daß das den Kessel verlassende Produkt noch
0,05 bis 10 Mol-%, vorzugsweise 0,1 bis 5 Mol-%, an
freiem Amin enthält,
b) die beim ersten Rührkessel im Vergleich zur stöchiometrischen
Menge verbleibende Restmenge an Alkalimetallhydroxid
kontinuierlich dem nachfolgenden Rührkessel
bzw. den beiden nachfolgenden Rührkesseln zugeführt
wird und in jedem dieser Kessel bei einer
Temperatur von 50 bis 60°C und dem sich ergebenden
Druck eine solche Verweilzeit eingestellt wird, daß
das den Kessel verlassende Produkt noch jeweils 0,05
bis 2 Mol-%, vorzugsweise 0,1 bis 1 Mol-%, an
freiem Amin enthält, wobei im Falle von 3 Rührkesseln
im dritten die gleiche Temperatur wie im
zweiten oder eine höhere Temperatur eingehalten
wird und von der beim ersten Rührkessel verbleibenden
Alkalimetallhydroxid-Restmenge dem zweiten
Kessel 70 bis 95 Mol-% von dieser Restmenge und
dem dritten Kessel die beim zweiten auf die stöchiometrische
Alkalimetallhydroxid-Menge noch verbleibende
Restmenge zugeführt wird, und
c) aus dem die Rührkesselkaskade verlassenden Produkt
das angestrebte Dimethyldiallylammoniumchlorid gewonnen
wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden also die reagierenden
Verbindungen, das sind Dimethylamin, Allylchlorid
und Alkalimethallhydroxid, im stöchiometrisch erforderlichen
Molverhältnis eingesetzt, nämlich im Molverhältnis
1 : 2 : 1 (vgl. die oben angeführten Reaktionsgleichungen).
Es versteht sich von selbst, daß möglichst reine Ausgangsverbindungen
eingesetzt werden. Dimethylamin (Siedepunkt
bei Normalbedingungen: 7°C) kann als Flüssiggas,
das heißt 100%ig oder in Form einer wäßrigen Lösung
eingesetzt werden, wobei 20 bis 50 gew.-%ige Lösungen
bevorzugt sind. Allylchlorid (Siedepunkt bei Normalbedingungen: 44°C)
wird als solches eingesetzt, da es in Wasser kaum
löslich ist. Als Alkalimetallhydroxid wird vorzugsweise
Natrium- und/oder Kaliumhydroxid eingesetzt. Die Konzentration
der wäßrigen Lösung des Alkalimetallhydroxids
(der Alkalilauge) beträgt 20 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise
40 bis 60 Gew.-%. Die Menge (Gesamtmenge) des als Lösungsmittel
eingesetzten Wassers wird zweckmäßigerweise
so gewählt, daß die Konzentration an Wirkstoff, das
heißt an DADMAC, in dem den letzten Rührkessel (die
Kaskade) verlassenden Produkt (Reaktionsgemisch) 40
bis 75 Gew.-% beträgt, vorzugsweise 60 bis 70 Gew.-%.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren beträgt die Verweilzeit
(mittlere Verweilzeit) im Reaktionsraum, das heißt
über alle Rührkessel in der Regel 10 bis 30 Stunden.
Bei den angegebenen Reaktionstemperaturen stellen sich
Drücke von 0,2 bis 2 bar ein.
Die Bestimmung des freien Amins, das ist die Summe an
Dimethylamin und Dimethylallylamin, kann beispielsweise
durch Titration mit einer 0,1 normalen (0,1 n) Salzsäure
unter Verwendung von Bromphenolblau als Indikator erfolgen
(Bromphenolblau schlägt bei einem pH-Wert von
2,6 von blau auf gelb um).
Es ist zweckmäßig, in jedem Rührkessel auch die Menge
an Hydrochlorid, das ist die Summe aus Dimethylaminhydrochlorid
und Dimethylallylaminhydrochlorid zu bestimmen
(sie resultiert aus der unterstöchiometrischen
Alkalidosierung). Damit hat man beispielsweise eine
Kontrolle bezüglich eventueller Ungenauigkeiten in
der Menge der zudosierten Ausgangsverbindungen, wie
Alkalimetallhydroxid. Diese Bestimmung erfolgt durch
Titration mit einer 0,1 normalen (0,1 n) Natronlauge unter
Verwendung von Thymolphthalein als Indikator (Thymolphthalein
schlägt bei einem pH-Wert von 9,3 bis 10,5
von farblos nach blau um.
Die Aufarbeitung des beim erfindungsgemäßen Verfahren
erhaltenen Produktes zur Gewinnung des angestrebten Diallyldimethylammoniumchlorids
erfolgt nach an sich bekannten
Methoden. Aus dem den letzten Rührkessel verlassenden
Produkt wird zunächst Wasser abdestilliert
(Aufkonzentrierung), zweckmäßigerweise im Wasserstrahlvakuum
(Vakuum: etwa 10 bis 100 mbar, Temperatur: etwa
50°C), wobei gleichzeitig evtl. vorhandene flüchtige
Anteile wie Allylchlorid, Dimethylamin, Allylalkohol,
Dimethylallylamin und dergleichen abgetrennt werden.
Das Aufkonzentrieren, das zweckmäßigerweise unter Rühren
durchgeführt wird, wird auch dann vorgenommen, wenn
das aufzuarbeitende Produkt bereits die oben angegebenen
DADMAC-Konzentrationen aufweist, um sicherzustellen,
daß die genannten evtl. vorhandenen flüchtigen Anteile
entfernt werden. Es ist zweckmäßig, dem die Kaskade
verlassenden, aufzuarbeitenden Reaktionsgemisch einen
im Vergleich zur stöchiometrischen Alkalimenge geringen
Überschuß an Alkali, das ist ein Überschuß von etwa
0,5 Mol-%, zuzusetzen. Dieser Überschuß kann auch bereits
im letzten Rührkessel zudosiert werden. Das nach
dem Aufkonzentrieren erhaltene Produkt wird zentrifugiert
(Temperatur: etwa 30 bis 50°C), um das Alkalimetallchlorid
abzutrennen. Das angestrebte Produkt (das
Endprodukt) stellt eine vorzugsweise 60 bis 70 gew.-%ige
wäßrige Lösung von DADMAC dar, die noch bis zu etwa
3% Alkalimetallchlorid gelöst enthält (sofern bei der
beschriebenen Aufarbeitung konzentriertere Lösungen
an DADMAC anfallen, wird durch Zugabe von Wasser die
angegebene gewünschte Konzentration eingestellt). Eine
vollständige Befreiung von DADMAC von Wasser und Alkalimetallchlorid
ist nicht erforderlich, weil bereits das
genannte Endprodukt zu den eingangs genannten Zwecken
eingesetzt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von
Vorteilen auf. Das angestrebte Dimethyldiallylammoniumchlorid
wird in nahezu quantitativer Ausbeute erhalten.
Die geringen Ausbeuteverluste resultieren im wesentlichen
daher, daß beim erwähnten Zentrifugieren (oder
Filtrieren) zur Abtrennung des größten Teils des anwesenden
Alkalimetallhalogenids (das in der Regel Natriumchlorid
ist) etwas DADMAC mitausgetragen wird.
Die erhaltene wäßrige DADMAC-Lösung enthält keine
die Polymerisation von DADMAC störende oder sogar hemmende
Menge an Nebenprodukten mehr. Sie ist insbesondere
praktisch frei von Allylalkohol und Allylchlorid. Diese
wurde mit Hilfe der Headspace-Gaschromatographie festgestellt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also
möglich, Diallyldimethylammoniumchlorid in sehr hoher
Ausbeute und in sehr hoher Reinheit herzustellen. Das
erfindungsgemäße Verfahren ist kontinuierlich und kann
in apparativ einfachen Rührkesseln durchgeführt werden.
Daraus resultiert ein weiterer wesentlicher Vorteil,
nämlich der, daß die in Rede stehende Umsetzung bezüglich
betrieblicher Automatisierung, Steuerung, Auslastung
und Einhaltung konstanter Umsetzungsbedingungen, was
für eine gleichmäßige Produktqualität klarerweise von
großer Bedeutung ist, optimal durchgeführt werden kann.
Ein anderer wesentlicher Vorteil liegt darin, daß durch
die in den Reaktionskesseln vorliegende hohe Konzentration
an gebildetem Dimethyldiallylammoniumchlorid,
das gute Lösungs- und Emulgiereigenschaften für Allylchlorid
aufweist, eine nahezu homogene
Reaktion erreicht wird, was beispielsweise zu höheren
Reaktionsgeschwindigkeiten führt. Beim erfindungsgemäßen
Verfahren sind auch keine aufwendigen Reinigungsoperationen,
wie zum Beispiel die Reinigung mit Aktivkohle,
erforderlich, da das angestrebte DADMAC in reinem
Zustand erhalten wird.
Die Erfindung wird nun an Beispielen noch näher erläutert.
Die Umsetzung wurde in zwei kaskadenförmig angeordneten
Rührkesseln mit je 8 m3 Volumen durchgeführt. Jeder der
beiden Kessel war mit einem Rührer, einem Thermometer
und einem Kühlmantel (Abführung der freiwerdenden Reaktionswärme
mittels Kühlwasser) versehen.
In den ersten Rührkessel wurden über vier Einlaufstutzen
pro Stunde kontinuierlich zugeführt: 265 kg (3,5 kmol)
Allylchlorid, 78 kg (1,75 kmol) Dimethylamin und 84 kg
50 gew.-%ige wäßrige Natronlauge, das sind 1,05 kmol NaOH,
und noch weiteres Wasser, nämlich 86 kg. Nachdem die stöchiometrische
Menge an NaOH 1,75 kmol beträgt, wurden mit
den 1,05 kmol NaOH in den ersten Rührkessel nur 60 Mol-%
von der stöchiometrisch erforderlichen Menge zudosiert,
das entspricht einem stöchiometrischen Alkaliunterschied
von 0,7 kmol oder 40 Mol-%. Die beim ersten Rührkessel
fehlende Alkalirestmenge von 0,7 kmol (das sind 56 kg
50 gew.-%ige Natronlauge) wurde pro Stunde kontinuierlich
dem zweiten Rührkessel zugeführt.
Im ersten Rührkessel wurde eine Temperatur von 20 bis 25°C
und im zweiten Kessel eine Temperatur von 50 bis 55°C gehalten
(im ersten Kessel herrschte ein Druck von etwa 1,5
bar und im zweiten Kessel ein Druck von etwa 0,5 bar).
Die mittlere Verweilzeit über beide Rührkessel betrug
28 Stunden.
Das den ersten Kessel verlassende Produkt (Produktgemisch)
hatte einen Gehalt an freiem Amin von 9 Mol-% und das den
zweiten Kessel verlassende Produkt einen Gehalt von 1,8
Mol-%, Molprozente bezogen auf das eingesetzte Dimethylamin.
(Die Bestimmung des Gehaltes an freiem Amin, das ist
die Summe aus Dimethylamin und Dimethylallylamin, erfolgte
durch Titration mit einer 0,1 n Salzsäure mit Bromphenolblau
als Indikator. In dem die beiden Rührkessel verlassenden
Produktgemisch wurde auch der Gehalt an Hydrochlorid,
das ist die Summe an Dimethylaminhydrochlorid
und Dimethylallylaminhydrochlorid bestimmt; diese Bestimmung
erfolgte durch Titration mit einer 0,1 n Natronlauge
unter Verwendung von Thymolphthalein als Indikator
und sie zeigte, daß ein Verlust oder ein Überschuß
an Alkali nicht vorlag.)
Das den zweiten Rührkessel verlassende Produkt, das eine
Wirkstoff-Konzentration, das ist die Konzentration an
DADMAC, von 60 Gew.-% hatte, wurde zur weiteren Ausfällung
von Natriumchlorid aufkonzentriert, wobei auch
flüchtige Anteile wie freies Amin, Allylchlorid und
dergleichen ausgetragen wurden. Dies erfolgte mit Hilfe
eines Umlaufverdampfers, der bei einer Temperatur von
50 bis 60°C und einem Druck von 80 bis 100 mbar betrieben
wurde. Das nun vorliegende Produktgemisch (das
eine Temperatur von etwa 55°C hatte) wurde zentrifugiert,
wobei das bei der Umsetzung entstandene und
durch die Aufkonzentrierung zusätzlich auskristallisierte
Natriumchlorid entfernt wurde.
Nach dem Zentrifugieren lag das angestrebte DADMAC vor,
und zwar als wäßrige Lösung mit einem DADMAC-Gehalt von
70 Gew.-% und einem Natriumchlorid-Gehalt von 1,5 Gew.-%
(Gewichtsprozente bezogen auf die wäßrige Lösung). Diese
Lösung enthielt keine nennenswerten Mengen an Verunreinigungen
wie Allylchlorid, Allylalkohol, freiem Amin und
Aminhydrochlorid.
Die Umsetzung wurde in den zwei kaskadenförmig angeordneten
Rührkesseln des Beispiels 1 durchgeführt.
In den ersten Rührkessel wurden pro Stunde kontinuierlich
zugeführt: 353 kg (4,6 kmol) Allylchlorid, 104 kg (2,3 kmol)
Dimethylamin und 129 kg 50 gew.-%ige wäßrige Natronlauge,
das sind 1,6 kmol NaOH, und noch weiteres Wasser, nämlich
114 kg. Nachdem die stöchiometrische Menge an NaOH 2,3 kmol
beträgt, wurden mit den 1,6 kmol NaOH in den ersten Rührkessel
nur 70 Mol-% von der stöchiometrisch erforderlichen
Menge zudosiert, das entspricht einem stöchiometrischen
Alkaliunterschied von 0,7 kmol oder 30 Mol-%.
Die beim ersten Rührkessel verbleibende Alkali-Restmenge
von 0,7 kmol (das sind 56 kg 50 %ige Natronlauge)
wurde pro Stunde kontinuierlich dem zweiten Rührkessel
zugeführt.
Im ersten Rührkessel wurde eine Temperatur von 40 bis
45°C und im zweiten Kessel eine Temperatur von 50 bis
55°C gehalten (im ersten Kessel herrschte ein Druck
von etwa 1,5 bar und im zweiten Kessel ein Druck von
etwa 0,5 bar).
Die mittlere Verweilzeit über beide Rührkessel betrug
21 Stunden.
Das den ersten Kessel verlassende Produkt (Produktgemisch)
hatte einen Gehalt an freiem Amin von 4 Mol-% und das
den zweiten Kessel verlassende Produkt einen Gehalt von
1 Mol-%, Molprozente bezogen auf das eingesetzte Dimethylamin.
Das den zweiten Rührkessel verlassende Produkt hatte eine
Wirkstoff-Konzentration von 60 Gew.-% und wurde wie in
Beispiel 1 aufgearbeitet.
Es lag eine von Verunreinigungen freie wäßrige Lösung
mit einem DADMAC-Gehalt von 70 Gew.-% und mit einem
Natriumchlorid-Gehalt von 1,5 Gew.-% vor.
Die Umsetzung wurde in den zwei kaskadenförmig angeordneten
Reaktionskesseln des Beispiels 1 durchgeführt.
In den ersten Rührkessel wurden pro Stunde kontinuierlich
zugeführt: 265 kg (3,5 kmol) Allylchlorid, 78 kg (1,75 kmol)
Dimethylamin und 111 kg 50 gew.-%ige wäßrige Natronlauge,
das sind 1,4 kmol NaOH, und noch weiteres Wasser, nämlich
86 kg. Nachdem die stöchiometrische Menge an NaOH 1,75
kmol beträgt,wurden mit den 1,4 kmol NaOH in den ersten
Rührkessel nur 80 Mol-% von der stöchiometrisch erforderlichen
Menge zudosiert, das entspricht einem stöchiometrischen Alkaliunterschuß
von 0,35 kmol oder 20 Mol-%.
Die beim ersten Rührkessel verbleibende Alkali-Restmenge
von 0,35 kmol (das sind 29 kg 50%ige Natronlauge) wurde
pro Stunde kontinuierlich dem zweiten Rührkessel zugeführt.
Im ersten Rührkessel wurde eine Temperatur von etwa 50°C
und im zweiten Kessel eine Temperatur von ebenfalls etwa
50°C gehalten (im ersten Kessel herrschte ein Druck von
etwa 1,5 bar und im zweiten Kessel ein Druck von etwa
0,5 bar).
Die mittlere Verweilzeit über beide Rührkessel betrug
28 Stunden.
Das den ersten Kessel verlassende Produkt (Produktgemisch)
hatte einen Gehalt an freiem Amin von 0,3 Mol-% und das
den zweiten Kessel verlassende Produkt einen Gehalt von
0,1 Mol-%, Molprozente bezogen auf das eingesetzte Dimethylamin.
Das den zweiten Rührkessel verlassende Produkt hatte eine
Wirkstoff-Konzentration von 60 Gew.-% und wurde wie in
Beispiel 1 aufgearbeitet.
Es lag eine von Verunreinigungen freie wäßrige Lösung
mit einem DADMAC-Gehalt von 70 Gew.-% und mit einem
Natriumchlorid-Gehalt von 1,5 Gew.-% vor.
Die Umsetzung wurde in drei kaskadenförmig angeordneten
Reaktionskesseln mit je 8 m3 Volumen durchgeführt. Jeder
der drei Kessel war mit einem Rührer, einem Thermometer
und einem Kühlmantel (Abführung der freiwerdenden Reaktionswärme
mittels Kühlwasser) versehen.
In den ersten Rührkessel wurden über vier Einlaufstutzen
pro Stunde kontinuierlich zugeführt: 662 kg (8,6 kmol)
Allylchlorid, 195 kg (4,3 kmol) Dimethylamin und 258 kg
40 gew.-%ige wäßrige Natronlauge, das sind 2,6 kmol NaOH,
und noch weiteres Wasser, nämlich 128 kg. Nachdem die
stöchiometrische Menge an NaOH 4,3 kmol beträgt, wurden
mit den 2,6 kmol NaOH in den ersten Rührkessel nur
60 Mol-% von der stöchiometrisch erforderlichen Menge
zudosiert, das entspricht einem stöchiometrischen
Alkaliunterschuß von 1,7 kmol oder 40 Mol-%. Von der
beim ersten Rührkessel verbleibenden 1,7 kmol Alkali-
Restmenge wurden 70%, das sind 1,2 kmol NaOH, pro Stunde
kontinuierlich dem zweiten Rührkessel und die beim
zweiten Rührkessel auf die stöchiometrische Menge NaOH
noch übrige Restmenge pro Stunde kontinuierlich dem
dritten Reaktionskessel zugeführt.
Im ersten Rührkessel wurde eine Temperatur von 20 bis
25°C, im zweiten Kessel eine Temperatur von 40 bis 45°C
und im dritten Kessel eine Temperatur von 55 bis 60°C
gehalten (im ersten Kessel herrschte ein Druck von etwa
2,0 bar, im zweiten Kessel von etwa 1,5 bar und im dritten
Kessel von etwa 0,5 bar).
Die mittlere Verweilzeit über die drei Rührkessel betrug
19 Stunden.
Das den ersten Kessel verlassende Produkt (Produktgemisch)
hatte einen Gehalt an freiem Amin von 9 Mol-%, das den
zweiten Kessel verlassende Produkt einen solchen von
2 Mol-% und das den dritten Kessel verlassende Produkt
einen solchen von 1 Mol-%, Molprozente bezogen auf das
eingesetzte Dimethylamin. (Die Bestimmung des Gehaltes
an freiem Amin, das ist die Summe aus Dimethylamin und
Dimethylallylamin, erfolgte wie in den Beispielen 1 bis 3.
In dem die drei Rührkessel verlassenden Produktgemisch
wurde auch der Gehalt an Hydrochlorid, das ist die Summe
aus Dimethylaminhydrochlorid und Dimethylallylaminhydrochlorid,
bestimmt; diese Bestimmung erfolgte ebenso wie
in den Beispielen 1 bis 3 und sie zeigte, daß ein Verlust
oder ein Überschuß an Alkali nicht vorlag.)
Das den dritten Reaktionskessel verlassende Produkt
hatte eine Wirkstoff-Konzentration von 60 Gew.-% und
wurde wie in den Beispielen 1 bis 3 aufgearbeitet.
Es lag eine von Verunreinigungen freie wäßrige Lösung
mit einem DADMAC-Gehalt von 70 Gew.-% und mit einem
Natriumchlorid-Gehalt von 1,5 Gew.-% vor.
Die Umsetzung wurde in den drei kaskadenförmig angeordneten
Reaktionskesseln des Beispiels 4 durchgeführt.
In den ersten Rührkessel wurden pro Stunde kontinuierlich
zugeführt: 530 kg (6,9 kmol) Allylchlorid, 156 kg (3,45
kmol) Dimethylamin und 259 kg 40 gew.-%ige wäßrige Natronlauge,
das sind 2,6 kmol NaOH, und noch weiteres Wasser,
nämlich 445 kg. Nachdem die stöchiometrische Menge an
NaOH 3,45 kmol beträgt, wurden mit den 2,6 kmol NaOH
in den ersten Rührkessel nur 75 kmol-% von der stöchiometrisch
erforderlichen Menge zudosiert, das entspricht
einem stöchiometrischen Alkaliunterschuß von 0,85 kmol
oder 25 Mol-%. Von der beim ersten Rührkessel fehlenden
0,85 kmol Alkali-Restmenge wurden 80%, das sind 0,7 kmol
NaOH, pro Stunde kontinuierlich dem zweiten Rührkessel
und die beim zweiten Rührkessel auf die stöchiometrische
Menge NaOH noch übrige Restmenge pro Stunde kontinuierlich
dem dritten Rührkessel zugeführt.
Im ersten Rührkessel wurde eine Temperatur von 30 bis 35°C,
im zweiten Kessel eine Temperatur von 40 bis 45°C und im
dritten Kessel eine Temperatur von 55 bis 60°C gehalten
(im ersten Kessel herrschte ein Druck von etwa 2,0 bar,
im zweiten Kessel von etwa 1,5 bar und im dritten Kessel
von etwa 0,5 bar).
Die mittlere Verweilzeit über die drei Rührkessel betrug
16 Stunden.
Das den ersten Kessel verlassende Produkt (Produktgemisch)
hatte einen Gehalt an freiem Amin von 5 Mol-%, das den
zweiten Kessel verlassende Produkt einen solchen von
1 Mol-% und das den dritten Kessel verlassende Produkt
einen solchen von 0,5 Mol-%, Molprozente bezogen auf das
eingesetzte Dimethylamin.
Das den dritten Reaktionskessel verlassende Produkt hatte
eine Wirkstoff-Konzentration von 65 Gew.-% und wurde wie
in den Beispielen 1 bis 3 aufgearbeitet.
Es lag eine von Verunreinigungen freie wäßrige Lösung
mit einem DADMAC-Gehalt von 70 Gew.-% und mit einem
Natriumchlorid-Gehalt von 1,5 Gew.-% vor.
Die Umsetzung wurde in den drei kaskadenförmig angeordneten
Reaktionskesseln des Beispiels 4 durchgeführt.
In den ersten Rührkessel wurden pro Stunde kontinuierlich
zugeführt: 397 kg (5,2 kmol) Allylchlorid, 117 kg (2,6 kmol)
Dimethylamin und 177 kg 50 gew.-%ige wäßrige Natriumlauge,
das sind 2,2 kmol NaOH, und noch weiteres Wasser, nämlich
268 kg. Nachdem die stöchiometrische Menge an NaOH 2,6 kmol
beträgt, wurden mit dem 2,2 kmol NaOH in den ersten Rührkessel
nur 85 Mol-% von der stöchiometrisch erforderlichen
Menge zudosiert, das entspricht einem stöchiometrischen
Alkaliunterschuß von 0,4 kmol oder 15 Mol-%. Von der
beim ersten Rührkessel verbleibenden 0,4 kmol Alkali-
Restmenge wurden 80%, das sind 0,32 kmol NaOH pro Stunde
kontinuierlich dem zweiten Rührkessel und die beim zweiten
Rührkessel auf die stöchiometrische Menge NaOH noch
übrige Restmenge pro Stunde kontinuierlich dem dritten
Reaktionskessel zugeführt.
Im ersten Rührkessel wurde eine Temperatur von 40 bis 45°C,
im zweiten Rührkessel eine Temperatur von 50 bis 55°C und
im dritten Kessel eine Temperatur von 50 bis 55°C gehalten
(im ersten Kessel herrschte ein Druck von etwa 1,5 bar,
im zweiten Kessel von etwa 1,0 bar und im dritten Kessel
von etwa 0,5 bar). Die mittlere Verweilzeit über die drei
Rührkessel betrug 24 Stunden.
Das den ersten Kessel verlassende Produkt (Produktgemisch)
hatte einen Gehalt an freiem Amin von 0,5 Mol-%, das den
zweiten Kessel verlassende Produkt einen solchen von
0,1 Mol-% und das den dritten Kessel verlassende Produkt
einen solchen von 0,05 Mol-%, Molprozente bezogen auf das
eingesetzte Dimethylamin. Das den dritten Reaktionskessel
verlassende Produkt hatte eine Wirkstoff-Konzentration
von 68 Gew.-% und wurde wie in den Beispielen 1 bis 3
aufgearbeitet.
Es lag eine von Verunreinigungen freie wäßrige Lösung
mit einem DADMAC-Gehalt von 70 Gew.-% und mit einem
Natriumchlorid-Gehalt von 1,5 Gew.-% vor.
Die Umsetzung wurde in den drei kaskadenförmig angeordneten
Reaktionskesseln des Beispiels 4 durchgeführt.
In den ersten Rührkesseln wurden pro Stunde kontinuierlich
zugeführt: 397 kg (5,2 kmol) Allylchlorid, 117 kg (2,6 kmol)
Dimethylamin und 234 kg 40 gew.-%ige wäßrige Natronlauge,
das sind 2,34 kmol NaOH, und noch weiteres Wasser, nämlich
293 kg. Nachdem die stöchiometrische Menge an NaOH 2,6 kmol
beträgt, wurden mit den 2,34 kmol NaOH in den ersten Rührkessel
nur 90 Mol-% von der stöchiometrischen erforderlichen
Menge zudosiert, das entspricht einem stöchiometrischen
Alkaliunterschuß von 0,26 kmol oder 10 Mol-%. Von der
beim ersten Rührkessel fehlenden 0,26 kmol Alkali-Restmenge
wurden 95%, das sind 0,25 kmol NaOH, pro Stunde
kontinuierlich dem zweiten Rührkessel und die beim zweiten
Rührkessel auf die stöchiometrische Menge NaOH noch
übrige Restmenge pro Stunde kontinuierlich dem dritten
Reaktionskessel zugeführt.
Im ersten Rührkessel wurde eine Temperatur von 55 bis 60°C
im zweiten Kessel eine Temperatur von 55 bis 60°C und im
dritten Kessel eine Temperatur von ebenfalls 55 bis 60°C
gehalten (im ersten Kessel herrschte ein Druck von etwa
1,5 bar, im zweiten Kessel von etwa 1,0 bar und im dritten
Kessel von etwa 0,5 bar).
Die mittlere Verweilzeit über die drei Rührkessel betrug
22 Stunden.
Das den ersten Kessel verlassende Produkt (Produktgemisch)
hatte einen Gehalt an freiem Amin von 0,5 Mol-%, das den
zweiten Kessel verlassende Produkt einen solchen von 0,2
Mol-% und das den dritten Kessel verlassende Produkt einen
solchen von 0,1 Mol-%, Molprozente bezogen auf das eingesetzte
Dimethylamin.
Das den dritten Reaktionskessel verlassende Produkt hatte
eine Wirkstoff-Konzentration von 68 Gew.-% und wurde wie
in den Beispielen 1 bis 3 aufgearbeitet.
Es lag eine von Verunreinigungen freie wäßrige Lösung mit
einem DADMAC-Gehalt von 70 Gew.-% und mit einem Natriumchlorid-
Gehalt von 1,5 Gew.-% vor.
Claims (9)
1. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Dimethyldiallylammoniumchlorid
durch Umsetzung von
Dimethylamin, Allylchlorid und in Wasser gelöstem
Alkalimetallhydroxid unter Rühren, dadurch gekennzeichnet,
daß die Umsetzung in mindestens zwei
kaskadenförmig angeordneten Rührkesseln durchgeführt
und dabei so vorgegangen wird, daß
a) Dimethylamin und Allylchlorid in jeweils stöchiometrischer
Menge und nur 60 bis 95 Mol-% von der
stöchiometrisch erforderlichen Menge an Alkalimetallhydroxid
gleichzeitig und kontinuierlich
dem ersten Rührkessel zugeführt werden und in
diesem Kessel bei einer Temperatur von 20 bis
70°C und dem sich ergebenden Druck eine solche
Verweilzeit eingestellt wird, daß das den Kessel
verlassende Produkt noch höchstens 10 Mol-% an
freiem Amin, bezogen auf die eingesetzte Molmenge
an Dimethylamin, enthält,
b) die beim ersten Rührkessel im Vergleich zur stöchiometrischen
Menge verbleibende Restmenge an Alkalimetallhydroxid
kontinuierlich den auf den ersten
Kessel nachfolgenden Rührkesseln zugeführt wird
und in jedem dieser Kessel bei einer im Bereich
von 20 bis 70°C liegenden und um bis zu 30°C
höheren Temperatur als im jeweils vorangehenden
Kessel und dem sich ergebenden Druck eine solche
Verweilzeit eingestellt wird, daß das den Kessel
verlassende Produkt noch jeweils höchstens
2 Mol-% an freiem Amin, bezogen auf die eingesetzte
Molmenge an Dimethylamin, enthält, wobei
diese Menge an freiem Amin im Falle von mehreren
nachfolgenden Rührkesseln von Kessel zu Kessel
gleich oder kleiner gehalten wird, und
c) aus dem die Rührkessel-Kaskade verlassenden Produkt
das angestrebte Dimethyldiallylammoniumchlorid gewonnen
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in den nachfolgenden Rührkesseln die gleiche
Temperatur wie im ersten Rührkessel oder eine um
bis zu 30°C höhere Temperatur als im ersten Rührkessel
eingehalten wird, wobei im Falle von mehreren
nachfolgenden Rührkesseln die Temperatur von Kessel
zu Kessel gleich ist oder in im wesentlichen gleichen
Beträgen ansteigt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß im ersten Rührkessel eine Temperatur
von 30 bis 50°C eingehalten wird und in den auf
den ersten Rührkessel nachfolgenden Rührkesseln eine
Temperatur von 50 bis 60°C eingehalten wird, wobei
im Falle von mehreren nachfolgenden Rührkesseln die
Temperatur von Kessel zu Kessel gleich ist oder in
im wesentlichen gleichen Beträgen ansteigt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beim ersten
Rührkessel im Vergleich zur stöchiometrischen Menge
verbleibende Restmenge an Alkalimetallhydroxid den
auf den ersten Kessel nachfolgenden Rührkesseln in
von Kessel zu Kessel abnehmenden Portionen zugeführt
wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in
zwei oder drei kaskadenförmig angeordneten Rührkesseln
durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in
zwei oder drei kaskadenförmig angeordneten Rührkesseln
durchgeführt wird und dabei so vorgegangen
wird, daß dem ersten Rührkessel nur 70 bis 90 Mol-%
von der stöchiometrisch erforderlichen Menge an
Alkalimetallhydroxid zugeführt werden und in diesem
Kessel bei einer Temperatur von 30 bis 50°C
und dem sich ergebenden Druck eine solche Verweilzeit
eingestellt wird, daß das den Kessel verlassende
Produkt noch 0,05 bis 10 Mol-% an freiem Amin enthält,
und in jedem der auf den ersten Rührkessel
nachfolgenden Rührkesseln bei einer Temperatur von
50 bis 60°C und dem sich ergebenden Druck eine
solche Verweilzeit eingestellt wird, daß das den
Kessel verlassende Produkt noch jeweils 0,05 bis
2 Mol-% an freiem Amin enthält, wobei im Falle
von 3 Rührkesseln im dritten die gleiche Temperatur
wie im zweiten oder eine höhere Temperatur eingehalten
wird und von der beim ersten Rührkessel verbleibenden
Alkalimetallhydroxid-Restmenge dem zweiten
Kessel 70 bis 95 Mol-% von dieser Restmenge
und dem dritten Kessel die beim zweiten auf die
stöchiometrische Alkalimethyllhydroxid-Menge noch
verbleibende Restmenge zugeführt wird.
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